线粒体SIRT3在器官纤维化中作用的研究进展

祁俊清，曹梦菲，赵倩茹，尹 俊

(1. 江苏大学附属人民医院 心胸外科, 江苏 镇江 212002；2. 江苏大学附属医院 心内科, 江苏 镇江 212001；3. 复旦大学附属中山医院 胸外科, 上海 200032)

纤维化是一种由异常伤口愈合反应引起的病理过程，往往引起细胞外基质过度沉积、器官结构重塑和功能丧失。器官纤维化(如心肌纤维化、肝硬化以及肺纤维化、肾脏纤维化等)是几乎所有慢性疾病的终末期表现。线粒体功能障碍所涉及到的氧化还原失衡、代谢表型转变、炎性反应以及细胞凋亡/衰老是介导纤维化应答的重要机制，SIRT3调控线粒体的作用有望为临床防御器官纤维化提供新的治疗策略。沉默信息调节子(Sirtuin)家族(SIRT1-7)是一类功能强大的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性去乙酰化酶。SIRT3在所有的线粒体Sirtuins中显示出最强的脱乙酰酶活性。SIRT3通过脱乙酰基作用调节多种线粒体蛋白(目前已报道超过84个)， 几乎涉及线粒体生物学的各个方面， SIRT3消耗、缺乏所导致的线粒体功能紊乱涉及到多种器官纤维化的发生、发展。

1 SIRT3概述

SIRT3在细胞内主要定位于线粒体，SIRT3有着高度保守的氨基酸催化核心区域，并以NAD+依赖性方式发挥其去乙酰化作用。SIRT3核心区域包含一个由Rossmann折叠构成的大结构域(NAD+特异性结合位点)和一个由螺旋束、锌结合基序组成的小结构域，SIRT3的底物结合位点则位于两个结构域之间。此外，在细胞质和细胞核中我们同样鉴定出SIRT3的表达。值得说明的是，SIRT3不仅能去除乙酰基，还能够去除丙酰基、丁酰基、巴豆酰基团等，但是脱乙酰基作用是其最主要、也是研究最广泛的功能。

2 器官纤维化中SIRT3对线粒体功能的影响

2.1 SIRT3与线粒体代谢

生理状态下，线粒体氧化磷酸化反应为细胞提供维持生命活动所需要的大部分能源。丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)是糖酵解和三羧酸循环中的关键，SIRT3可以通过去乙酰化提高PDH的活性，从而调控葡萄糖的氧化[1]，在器官纤维化中发挥重要作用。而在非酒精性脂肪肝动物模型中，SIRT3介导的去乙酰化负向调节脂酰CoA合成酶(acyl-CoA synthetase，ACS)表达，从而缓解高脂肪饮食引起的脂肪酸代谢紊乱和肝脏纤维化[2]。此外，SIRT3还能调控氨基酸代谢和酮体生成，但其对器官纤维化是否会产生影响仍未可知。

2.2 SIRT3与线粒体氧化应激

生理水平的活性氧自由基(ROS)对于正常氧化还原信号通路的调节至关重要，而过多的ROS则会激活多种炎性介质，例如核因子kappa B(NF-κB)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、核苷酸寡聚结构域样受体蛋白3 (NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3) 炎性小体，刺激成纤维细胞增殖、迁移、活化；同时氧化应激还导致基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)活化、细胞外基质降解、重构。在心、肾等富含线粒体的高能量代谢组织器官中，线粒体电子传递链(ETC)是ROS产生的主要来源。在细胞遭受各种应激时，线粒体ETC功能失调、发生电子泄露以及ROS过量生成。复合体Ⅰ是产生线粒体ROS最重要的贡献者之一[3]。低水平NAD+/NADH比率抑制SIRT3脱乙酰酶活性，从而导致复合体Ⅰ过度乙酰化。更有证据表明，SIRT3可直接与其多个亚基(NDUFA9、NDUFA11等)结合，通过去乙酰化修饰调节其活性。SIRT3同样使其他ETC复合物脱乙酰化以保证线粒体ETC进行有序、高效的电子传输，从而减少ROS的生成和ATP产量最大化。

2.3 SIRT3与线粒体动力学

线粒体通过融合、分裂以及自噬来维持其不同状态下数量和质量的相对稳定，这一过程被定义为线粒体动力学。间质性肺病和心肌纤维化等多种组织器官纤维化中已经发现线粒体动力学严重失衡，偏向于线粒体分裂和碎片化，同时线粒体融合和自噬受损。有研究表明，视神经萎缩1蛋白(optic atrophy protein-1，OPA1)含有乙酰化修饰位点并且过度乙酰化会抑制其GTP酶活性，而SIRT3能够靶向去乙酰化OPA1从而保留其活性[4]。SIRT3激动剂通过上调OPA1、线粒体融合蛋白1(mitochondrial fusion protein1，Mfn1)和线粒体融合蛋白2(mitochondrial fusion protein2，Mfn2)的表达水平促进线粒体融合、逆转线粒体衰老进程[5]。SIRT3缺失导致线粒体分裂因子表达增加和动力相关蛋白1(dynamin-related protein1，Drp1)募集，同时伴随着OPA1的降低，线粒体内外膜断裂、线粒体分裂。除了融合和分裂，适当的线粒体自噬有助于清除受损、老化的线粒体，保持线粒体功能的稳定。老年相关的心肌纤维化、糖尿病肾病以及非酒精性脂肪肝等纤维增殖性疾病中表现出线粒体自噬抑制和SIRT3水平降低，过表达SIRT3有助于恢复线粒体自噬水平和改善纤维化程度[6]。

3 SIRT3调控器官纤维化的机制

3.1 SIRT3与心肌纤维化

心肌纤维化是冠心病、高血压、心脏瓣膜病等多种心血管疾病发展至心力衰竭的重要原因。根据组织化学特征，心肌纤维化分为：代替凋亡心肌细胞的修复型(如急性心肌梗死)和没有明显心肌细胞丢失、分布在血管以及心肌间质的应答型心肌纤维化。如前所述，氧化应激的产生对于各种心肌纤维化模型中心肌成纤维细胞的活化至关重要。临床研究发现，在心肌梗死后心室重塑、压力过负荷型以及糖尿病心肌病等心室重构患者中的抗氧化系统受损、ROS过度产生，已有证据证实这与SIRT3水平降低导致的MnSOD2、FoxO3a乙酰化增加密切相关；靶向SIRT3/MnSOD2可改善心肌纤维化程度[7]。此外，SIRT3也通过抑制线粒体裂变和恢复线粒体自噬来维持线粒体稳态，从而减轻纤维化程度和心功能障碍[8]。故而，无论何种原因导致的心肌纤维化都与调控线粒体功能的SIRT3密切相关。

3.2 SIRT3与肺纤维化

氧化应激和炎性反应导致肺泡上皮细胞损伤和成纤维细胞-肌成纤维细胞分化是肺纤维化病理生理学中的关键事件。作为抗氧化反应和调节线粒体稳态的重要分子，SIRT3在特发性肺纤维化患者的肺部纤维化区域表达降低；进一步的小鼠模型证实：SIRT3缺陷促使抗氧化分子MnSOD2和IDH2乙酰化失活，而过表达SIRT3则能使小鼠免受石棉诱导的肺纤维化[9]。除此以外，SIRT3还通过促进线粒体DNA损伤修复来改善石棉和博来霉素诱导的肺部纤维化。具体而言：SIRT3通过维持8-羟基鸟嘌呤DNA糖苷酶(8-oxoguanine DNA glycosylase，OGG1)(一种DNA修复酶，可将氧化鸟嘌呤水解为鸟嘌呤)水平来改善氧化应激诱导的线粒体DNA损伤[10]。因此，提高SIRT3的表达在肺纤维化的治疗中具有一定的意义。

3.3 SIRT3与肾纤维化

肾小管上皮细胞以高能量代谢需求为特征且依赖线粒体氧化磷酸化为能量来源，这种代谢方式在各种疾病导致的继发性肾纤维化中受到破坏。在单侧肾切除+缺血再灌注诱导的急性肾损伤(acute kidney injury，AKI)小鼠模型中，SIRT3表达持续下降，纤维化相关蛋白FN及α-SMA蛋白表达量均显著增加，SIRT3可能是参与AKI后早期纤维化的重要分子[11]。乙酰化是线粒体代谢的重要翻译后修饰，在单侧输尿管梗阻诱导的肾纤维化早期阶段即出现线粒体乙酰化增加以及SIRT3表达降低，SIRT3基因敲除小鼠表现出高度线粒体蛋白乙酰化和更为严重的肾纤维化[12]。此外，右美托咪定可通过上调SIRT3的表达进而减轻小鼠肾缺血再灌注损伤[13]。糖尿病肾病是导致终末期肾病的主要原因，SIRT3亦被证实通过阻断TGF-β/Smad-3信号通路以及调节线粒体自噬从而对糖尿病肾病起到保护作用[14]。内皮-间质转化(endothelial to mesenchymal transition，EndoMT)是促进慢性肾纤维化的潜在重要因素。在血管紧张素2(Ang Ⅱ)模拟的高血压肾病模型中SIRT3表达显著降低，并且伴随着EndoMT、ROS的形成以及肾脏的纤维化；与之相反，Ang Ⅱ诱导的EndoMT、氧化应激以及肾纤维化在SIRT3内皮细胞特异性过表达转基因小鼠中得到改善[15]；在原代小鼠肾小球内皮细胞中，SIRT3的去乙酰化和FoxO3a的核定位激活了FoxO3a过氧化氢酶的表达，而沉默FoxO3a则消除SIRT3介导的EndoMT抑制，SIRT3-FoxO3a-过氧化氢酶对于抑制EndoMT、维持内皮稳态、改善高血压性肾纤维化起重要作用[16]。因此，SIRT3能够从多个方面影响肾纤维化，针对SIRT3的深入研究有望为肾纤维化的治疗提供帮助。

3.4 SIRT3与肝纤维化

肝纤维化是肝硬化的病理基础，也是所有慢性肝病从肝硬化发展至肝衰竭的必经阶段。炎性反应、氧化应激是介导肝纤维化发生发展的重要信号传导通路。促炎因子和ROS导致肝星状细胞活化，进而引发纤维化反应。在四氯甲烷诱导的肝损伤大鼠模型中，SIRT3通过阻断活化的肝星状细胞中NF-κB P65亚基核转位来减轻炎性反应[17]。非酒精性脂肪肝以脂质代谢紊乱、脂质蓄积为特征，研究发现：线粒体损伤与高脂诱导的非酒精性脂肪肝的进展有关；SIRT3在非酒精性脂肪肝疾病模型中表达下调，而过表达SIRT3则能减轻炎性反应、线粒体凋亡以及肝纤维化；此外，该项研究还发现SIRT3通过激活ERK-CREB通路恢复线粒体自噬从而保护肝功能[18]。因此，SIRT3对肝纤维化起到保护作用，可能会成为肝纤维化新的治疗靶点。

4 SIRT3作为器官纤维化的治疗靶点

4.1 天然产物

大多数SIRT3激动剂来源于天然产物。葡萄和蓝莓的提取物白藜芦醇最初被定义为SIRT1激动剂，后来被证实亦可增加SIRT3的表达。白藜芦醇通过诱导SIRT3激活抑制TGF-β/Smad-3通路，从而改善心肌纤维化，还能保留线粒体功能从而预防肺动脉高压导致的右心室纤维化重构[19]。厚朴酚(honokiol)是一种源自木兰树皮的天然双酚类化合物，也是目前公认的SIRT3激动剂，厚朴酚诱导的SIRT3激活可改善线粒体乙酰化水平并减轻单侧输尿管梗阻后肾脏纤维化[20]。虎杖苷是一种单晶多酚类化合物，通过激活SIRT3从而恢复自噬，改善心肌梗死后心室重塑以及糖尿病心肌病[21]。

4.2 小分子合成药物

此外，一些化合物也具有激活SIRT3的能力。二甲双胍介导的SIRT3-AMPK轴活化有助于延缓代谢综合征并发的肺动脉高压和心肌纤维化[22]。褪黑色素在增加SIRT3表达的同时提高其活性，通过抑制氧化应激、促进自噬等多种途径改善糖尿病心肌病以及空气细颗粒物导致的心肌纤维化[23]。具有强效抗氧化特性的降胆固醇药物普罗布考可以通过恢复SIRT3 表达来改善肺上皮间质转化和肺纤维化[24]。过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferators-activated receptor α，PPARα) 激动剂非诺贝特则通过激动SIRT3-Wnt信号通路来防止肝细胞内铁积累诱导的氧化应激和肝纤维化[25]。

5 问题与展望

综上所述，SIRT3作为线粒体功能的重要调节因子，主要通过氧化应激和线粒体代谢等在不同的器官纤维化中起到保护作用，增加SIRT3的表达或者上调其下游分子的表达可能会成为器官纤维化新的治疗靶点。目前，在天然植物和小分子合成药物中发现多种SIRT3激动剂，且已被证实能够改善器官纤维化，但这些药物在激动SIRT3的同时，也上调其他Sirtuins的表达，普遍缺乏特异性。其次，过度追求SIRT3激活可能会导致肿瘤的发生。因此，SIRT3激动剂走入临床治疗尚有很长的路要走，且目前SIRT3在器官纤维化的作用机制也尚未完全阐明，未来有必要对SIRT3发挥作用的具体机制进行更深入的研究，寻求有选择性的SIRT3激动剂以及靶向SIRT3下游分子可能会是更好的选择。